曼彻斯特大学的科学家们成功开创了一种方法，通过生物打印技术创建了功能性的脊椎间盘，旨在彻底改变我们对背痛和椎间盘退化的理解，为医学科学带来重大突破。
这项由马修·J·基布尔博士领导的开创性研究使用了一种先进的3D打印技术——生物打印，以复制人类脊椎间盘复杂的结构和环境。
在今天发表于《Acta Biomaterialia》杂志上的研究中，他们揭示了组织硬度和氧气水平显著影响人类椎间盘细胞产生重要生物材料（如胶原蛋白和透明质酸）的过程。
这些见解最终可能带来新的治疗方法，用于治疗影响全球数亿人的背痛问题。
生物打印是一种尖端技术，使用活细胞和生物材料来创建能够准确模仿人体器官结构的复杂3D结构。
新的生物打印椎间盘将使科学家能够研究不同条件如何影响椎间盘细胞的行为，并导致组织退化和背痛。
大多数生物打印机的工作原理类似于塑料3D打印机，通过喷嘴在压力下挤出材料来构建结构。然而，生物打印机使用的不是塑料，而是细胞和由胶原蛋白、纤维素或明胶等细胞友好材料制成的凝胶状墨水。
科学家们准备了用于生物打印的细胞和材料，并设计了一个数字模型的人类脊椎间盘。在这项研究中，生物打印的椎间盘是由含有胶原蛋白和海藻提取物的凝胶制成的。
他们使用了最先进的3D生物打印机，能够逐层沉积多种类型的细胞和材料，从而创建出可以模拟人类椎间盘不同生物、化学和机械特性的复杂模型。
生物打印组织随后在受控条件下储存，以便它们能够生长、成熟并发展其生物功能。
来自曼彻斯特大学的研究通讯作者斯蒂芬·M·理查森博士说：“这项工作朝着自动化创建逼真的全器官模型迈出了一步，并使我们更接近于了解椎间盘退化的根本原因。我们的发现提供了重要的见解，揭示了驱动椎间盘退化的因素，并为开发更有效的再生疗法铺平了道路，例如通过整合干细胞。”
生物打印已被用于制造不同组织的模型，包括皮肤、大脑、神经、心脏、肾脏和肿瘤。然而，完全功能性的组织工程器官仍然需要几十年的时间；目前的模型主要用于实验室中的生物学过程研究，但也可以作为实验动物的替代品。
作为他在曼彻斯特大学的博士研究的一部分，基布尔博士开发了生物打印椎间盘，以探索组织硬度对成年脊椎间盘中两种细胞类型（髓核细胞和纤维环细胞）的影响。
在未来椎间盘模型中，科学家们计划结合健康年轻发育椎间盘中的细胞，以及干细胞或基因编辑细胞，以创建更高级的健康和疾病模型。这将使他们能够理解健康组织是如何形成的，并探讨干细胞是否可以用来生成健康组织并治疗背痛。
基布尔博士说：“全世界有超过6亿人遭受腰痛之苦。我们的生物打印椎间盘模型是一个令人兴奋的机会，可以为更好的再生疗法提供信息。我们的研究表明，组织硬度和氧气水平对重要生物材料的生产有显著影响。有许多尝试试图通过工程手段来理解椎间盘的生物学特性，并开发用于测试不同疗法或将椎间盘移植到动物体内的模型。但这不仅非常困难，而且极其耗时。我们的工作使我们能够大规模生产具有生物功能的椎间盘模型，并将使我们在理解椎间盘疾病方面取得急需的进展。”
该研究得到了UKRI EPSRC/MRC再生医学博士培训中心、Wellcome机构战略支持基金和医学研究委员会的资助。
作者还感谢国家亨利·罗伊斯研究所EPSRC拨款和生物打印技术平台的支持。
论文《悬浮生物打印的全椎间盘类似物通过调节区域硬度和缺氧促进初级人类髓核和纤维环细胞分泌基质》已发表在《Acta Biomaterialia》上，DOI:
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